Педро Феррейра Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Глава XI Тёмная Вселенная

В 1996 году в Принстоне на конференции «Critical Dialogues in Cosmology» звезды космологии попарно дискутировали о состоянии Вселенной. Организаторы выбрали для обсуждения ряд спорных открытых вопросов и пригласили собравшихся вступить в полемику. Пары докладчиков — ведущих астрономов, физиков и математиков, — выходя на сцену отказывались от принятого на конференциях протокола. Они бросались в бой; пытаясь в пух и прах разбить аргументы оппонента. Это был странный; но увлекательный способ обсуждения научных вопросов. Военные действия открыл Мартин Рис, человек, ставший одним из мастодонтов релятивистской астрофизики благодаря огромному вкладу в теорию черных дыр и Большого взрыва.

Он утверждал, что космология является «фундаментальной наукой» и «одной из величайших наук об окружающей среде». Она обеспечивает максимальную применимость красивых математических и физических теорий; разработанных в XX веке Эйнштейном; Дираком и другими учеными. Более того; ей приходится иметь дело с множеством эмпирических данных о галактиках; квазарах и звездах; в попытках объяснить; каким образом эти на первый взгляд крайне запутанные механизмы складываются в одну большую картину Вселенной. Рис доказывал, что при всей своей сложности; противоречивости и незавершенности задачи космологии имеют первостепенное значение.

Картина Вселенной, которую рисовала космология на момент Принстонской конференции, была очень странной. Казалось, что мы понимаем намного меньше, чем мы думали. Большая часть Вселенной состояла, по-видимому, из экзотической материи, которую никто и никогда не видел в лабораториях. Непонятные «темная материя» и «темная энергия» влияли на пространство-время, почему-то оставаясь неуловимыми и нераспознаваемыми. Аргументы в пользу темной Вселенной появились в один прекрасный полдень при обсуждении крупномасштабной структуры.

В космологии именно эта тема привлекла меня в первую очередь. Глядя на Вселенную, мы видим замысловатую световую мозаику из галактик, собирающихся в скопления, нити и стены, оставляя в промежутках большие пустые области. Богатый, полный информации и крайне сложный объект. Откуда берется крупномасштабная структура Вселенной? Для участников конференции это был самый актуальный вопрос, так как ответ на него пока еще никто не искал. Поэтому организаторы посвятили данной теме все утро. Долговязый астроном из Принстона Дж. Ричард Готт, растягивая слова, как это было принято у южан, защищал здравый смысл. На первый взгляд Вселенная выглядит очень пустой, поэтому Готт предположил, что она практически лишена материи, которая медленно эволюционирует в галактические нити и скопления, заполняющие наше небо.

Другой молодой и энергичный астроном из Принстона, Дэвид Спергел, предположил, что Вселенная не пуста, а заполнена невидимой темной формой материи. Такая материя должна состоять из фундаментальных частиц, не учтенных в стандартной модели и пока не наблюдавшихся ни в одном эксперименте. Но самое необычное предположение выдвинул последний докладчик, остроумный космолог-теоретик из Чикаго Майкл Тернер. Почему не предположить, что Вселенная пронизана энергией с ненулевой космологической постоянной?

Во Вселенной Тернера около двух третей материи должно учитываться при помощи космологической постоянной, которую так решительно отвергли семьдесят лет назад. Собравшихся это предложение не впечатлило. Космологическая константа считалась самым большим промахом Эйнштейна. В гладиаторских боях между моделями Вселенных председательствовал Филипп Джеймс (Джим) Пиблс, научный профессор из Принстонского университета имени Альберта Эйнштейна. Высокий, стройный мужчина с лицом, как будто списанным с портретов Модильяни, Пиблс был джентльменом до мозга костей и вежливо выступал в роли арбитра.

Тщательно следя за тем, чтобы дискуссия оставалась в рамках заданной тематики, он иногда с почти детской радостью хихикал над летящими с обеих сторон насмешками и комментариями. Конференция «Critical Dialogues» отчасти была организована как празднование его шестидесятилетнего юбилея. Вполне уместный подарок. Ведь три предыдущих десятилетия Пиблс был основным творцом теории крупномасштабной Вселенной, которая легла в основу современной космологии. В начале 1970-х Джим Пиблс опубликовал небольшую книгу под названием «Физическая космология» — краткое изложение лекций, которые он читал аспирантам в Принстоне в 1969 году.

На них присутствовал Джон Уиллер, писал конспекты и, если верить Пиблсу, практически вынудил его опубликовать лекции. Во введении Пиблс кратко упоминает космологическую константу, говоря, что «постоянная Λ [греческая заглавная буква «лямбда», которая является математическим обозначением космологической константы] в конспектах встречается редко». С точки зрения Пиблса, она представляла собой ненужное усложнение, «маленький некрасивый секрет» космологии. Все знали, что математически эта константа допустима, но так как она делала физику слишком странной и трудной, ее предпочитали не замечать. И вот теперь, четверть века спустя, вопреки неодобрению большинства коллег Пиблса, космологическую константу пытались вернуть назад. И делали это чрезвычайно настойчиво.

Когда в 1958 году только что получивший диплом инженера в университете Манитобы Джим Пиблс прибыл в Принстон, он обнаружил, что Джон Уиллер со своей группой работает над проблемой черных дыр и конечного состояния. В Принстоне Уиллер был не единственным приверженцем общей теории относительности; там же работал Роберт Дикке. Дикке, как и Уиллер, в середине 1950-х понял, в каком отчаянном положении находилась теория Эйнштейна. Практически никто не ставил экспериментов для ее проверки. Он создал в Принстоне собственную группу, в которой общая теория относительности обсуждалась и, что куда важнее, измерялась и тестировалась.

«Довольно быстро моя профессиональная жизнь стала вращаться вокруг Боба, и я начал заниматься восхитительными вещами», — говорит Пиблс. Он присоединился к группе Дикке еще в аспирантуре и после ее завершения сконцентрировался на экспериментах в области гравитационной физики. В Принстоне он провел следующие пятьдесят лет своей жизни. В 1960-е, по воспоминаниям Пиблса, космология все еще была «скромной дисциплиной, — дисциплиной, продвижением которой занимались два или три человека». Он считал, что «дисциплина, продвигаемая двумя-тремя учеными, находится в бедственном положении».

Мало кто активно работал в этой области, исследований практически не проводилось. Пиблса такая ситуация более чем устраивала. Она давала возможность не спеша заняться решением захвативших его воображение проблем, двигаясь в собственном темпе. После получения докторской степени по квантовой физике Пиблс посвятил себя развитию космологии. Начал он с объекта, который коллеги по Принстону называли «первичным огненным шаром», пытаясь понять; что происходило с атомами и ядрами на ранней стадии развития Вселенной, когда она была горячей и плотной.

Он работал как настоящий мастер: закрылся в кабинете и покрывал страницу за страницей уравнениями, медленно продвигаясь в вычислениях вперед и совершенствуя свой подход. Руководитель Пиблса имел другой взгляд на вещи. Как вспоминает Пиблс: «Для него физика, без всякого сомнения; была теорией; но теорией; которая в ближайшем будущем должна быть проверена экспериментально», поэтому Дикке заставил свою группу искать оставшееся от первичного огненного шара реликтовое излучение. Они разработали новый вид детектора, при помощи которого можно было сканировать небо с крыш зданий, но излучения не обнаружили.

В один из вторников в конце 1964 года Дикке сидел со своей группой в офисе; проводя еженедельное собрание; и вдруг зазвонил телефон. После короткого разговора; положив трубку Дикке сказал: «Нас обскакали». Ему звонил Арно Пензиас; чтобы сообщить; что вместе с Робертом Вильсоном из лабораторий Белла они, похоже, обнаружили признак реликтового излучения. За месяцы работы группа Дикке подтвердила результат, полученный в лабораториях Белла, но было слишком поздно: Нобелевская премия досталась Пензиасу и Вильсону. С точки зрения Пиблса, с рисуемой учебниками физики в 1960-х годах картиной космоса было что-то не так.